基于力学理论的单体液压支柱寿命阈值预测.pdf

2015年9 月 机 床 与 液 压 Sep. 2015 第 43 卷第 17 期 MACHINETOOL 3 HYDRAULICS Yol. 43 No. 17 D O I 10969/j. i n . 1001-3881. 2015. 17. 053 基于力学理论的单体液压支柱寿命阈值预测 陆 兴 华 ，姜 涛 ，宋 道 柱 ，秦 斯 成 徐州工程学院，江苏徐州221018 摘要 介绍基于损伤力学和断裂力学结合的寿命预测模型，并应用于单体液压支柱的寿命预测。根据损伤力学基本连 续损伤模型，将断裂力学帕里斯修正公式中应力替换，得到新的寿命预测模型。分析单体液压支柱恒阻工作的力学特性， 根据强度舰和压杆稳定理论计算支柱受力极限理论值。建模优化模型，寻找最优材料损伤因子和应力幅，为寿命预测提 供阈值。模型对支柱的损伤和预测具有积极意义。 关键词 单体液压支柱；寿命预测；疲劳损伤；基本力学理论；优化模型 中图分类号 TH122 文献标志码 A 文章编号 1001-3881 2015 17-213-4 Life Prediction of Threshold Value of Single Hydraulic Prop Based on Mechanics TheoryLife Prediction of Threshold Value of Single Hydraulic Prop Based on Mechanics Theory LUXinghua，JIANGTao，SONGDaozhu，QIN Sicheng Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou Jiangsu 221018，China Abstract The life prediction model based on damage mechanics and fracture mechanics integration is introduced， which applied to life prediction of a single hydraulic prop. According to the basic continuum damage mechanics model， the Paris modified ula fracture mechanics was replaced to get a new life prediction model. By analyzing mechanical properties of single hydraulic prop working in constant resistance state， the theoretical value of buckling force limits on pillars was calculated based on the theories of strength and pressing of tlie pilars. By modeling optimization model， the optimal material damage factor and stress amplitude were found， which pro vided a thresliold value for the life prediction. The model has positive significance for the damage and forecasts of pilars. Keywords Single hydraulic prop； Life prediction； Fatigue damage; Basic mechanics theory; Optimization model 〇 前言 单体液压支柱是矿井下重要的支护装置，因其采 用液压力提供支撑支承力，其适应性较强。单体液压 支柱具有体积小、成本低、维修方便等优点[1]。但由 于安装在矿井下，安装数量多，支柱的损伤情况难以 测量，稳定性不易控制。所以对支柱的使用寿命预测 与运行状态评价是保持支柱功能与矿井安全的关键。 机械设备的寿命预测发展较为成熟。目前研究的 理论方向有基于力学理论、概率统计理论、人工智能 理论以及信息新技术等方法。其中基于力学的寿命预 测是最早发展起来的，也是目前最为常用的方法[2]。 力学理论主要是根据应力[3]、应变、累计疲劳损伤理 论[4]、断裂力学与疲劳裂纹扩展、能量[ 5 _6]等。文中 主要应用损伤力学基相论分析材料的损伤特性，并 讨论支柱工作时的力学特征，结合断裂力学，结合有 限元分析[7]实现支柱寿命的预测。 1基本力学理论 文中主要介绍损伤力学理论和断裂力学理论，而 两者结合将会产生不同的预测模型，在单体支柱工作 时的特性分析起重要作用。 1 . 1 基本损伤力学 损伤力学基本假设为损伤过程中材料的弹性和各 向同性。疲劳失效过程伴随着热量的产生与流动，该 过程中，材料介质和塑性应变具有单向不可逆性，即 金属的失效过程可看做是不可逆的热力学过程。在加 人载荷作用下，金属内部损伤是连续分布的，可用损 伤变量表示该过程引起的结构性能等因素。损伤力学 中，损伤变量的确定最为重要，其应方便测量。损伤 变量可以为标量、矢量或者张量，通常情况下取标 量[8]，在等幅应变疲劳的情况下，基础的连续损伤模 型为 Ac t K1---- A. 式中A.是金属无损伤时应力差；At是疲劳损伤 过程中不断变化的应力差。裂纹的扩展过程可以基于 不同的疲劳裂纹公式，裂纹扩展速率是用来描述疲劳 载荷作用下疲劳裂纹长度随载荷的循环时间的变化 率 ，表示裂纹扩展的快慢。很多学者总结金属结构的 收稿日期 2014-07-18 基金项目江苏省前瞻性产学研联合创新资金项目（BY2013022 ; 江苏省大学生创新国家级项目（ 201411998017Z ; 江苏 省大型工程装备检测与控制重点实验室2012年开放课题（JSKLEDC201218 作者简介陆兴华（ 1965 ，男，副教授，高级工程师，主要从事机械设计及可靠性方面研究。E-irnil Xinghualu 163. com。 2 1 4 机 床 与 液 压第 43 卷 疲劳损伤演化规律可以表示为[6] d l /*，* ] 1.5。根据理 论 计 算 单 体 支 柱 各 性 能 参 数 值 如 表1所 示 ，以 27 S i n号钢为例。 表 1单体支柱理论计算值™ 项目 计算公式 值备注 活塞杆断面惯性矩 d4 3 4 2. 18X106 m m4 缸体断面惯性矩 3 K - K 3 64 3. 38x106 m m4 立柱稳定极限力 600 k N极限图，63_16.4 A 合成应力 6 6d . --1---1-- N N 556 M P a n3k-k 安全系数 4 27SiMn4s 834 MPa 3 . 2 材料损伤因子等参数优化 在疲劳寿命预测模型中，有待确定的参数有疲劳 材料损伤因子％和特征指数 。通常情况下，相应地 求出应力特性。 现根据上面计算确定优化師及条件。优化的目 标函数是时预测模型中的寿命值最大化，即 d r dr ;_ _ 8 __gr 0 。6 6 6B_ 4 . a N N 4s “4“/ [； ] ma x i ----- I 下面确定约束条件。首先支柱在任意时刻应满足 平衡恒方程，即第2. 2 节第一式。其次，保证支柱完 好的特性，活塞杆合应力小于理论应力，即 ,6 6 6B _ 4 . 1---1--- a N N 单体支柱的安全系数大于理论值，即 4s ;a/ y / [;] 立柱稳定极限力小于理论值， 即 6a. 6 m a x 最终确定优化模型如下 _ 1 _ 丄 1 I . / axif 6 . 6 v a 、 max 上面的优化目函数中，需要优化的变量有材料 因子％和参数 ，而在不同的应力幅. 下 ，破坏状 态也有所不同，参 数 不同。在模型的求解时可以 均 当 做 雖 ，转化为求解数值的最大化。-种材料对 应一种材料因子，相同的材料不同应力下破坏状态不 同确定参数 。材料因子是离散的，所以这是离散非 线性的优化问题。 求解离散非线性的优化问题方法有多种，目前较 成熟的方法是粒子群算法[11]。即是搜索空间中的一 个粒子。所有粒子的状态都由目示函数确定，通过初 始化-群 麵 粒 子 及 步 长 速 度 ，通过迭代知道满足约 束条件，每一次迭代的结果都可确定一个最优的值， 粒子不断更新位置和速度，最终得到整体的最优解。 这也是粒子群算法的一般步骤。利 用 Ma l 编程， 2 1 6 机 床 与 液 压 第 4 3 卷 初始化材料因子和应力幅。 在求解时将材料因子和参数归一化处理，确定步 长后不断取值，迭 代 近 100次后发现，破坏变形稳 定，且每次迭代后破坏图像走势大致相同，得到材料 因子、参数、破坏量等关系如图1所示。 图1材料因子、参数、破坏量图 3.3 结论 从 图 1 中可以看出，在满足约束条件下，材料 因子值越大，与破坏状态的数值越接近0 , 即成反 比关系。最优的材料因子出现在图1 a 方向导数 的最大值处，其 值 为 0.26，对 应 参 数 为 0.34，均 是归一化后的数值，破坏状态应力为548. 6 MPa， 由于没有进行材料试验，没有对应地找出何种材 料 ，但对比27SiMn 表 1 的理论值，优化后的破 坏应力有所下降，即需要提前发出破坏信号，提高 预警精度。 4结束语 将损伤力学和断裂力学模型结合，并应于单体液 压支柱的寿命预测。单体支柱的安放位置等因素限制 了支柱性能参数的测量，为测量支柱的安全性需要对 寿命进行预测，从而为实际的传感测量、预警等自动 测量设定阈值。文中从理论上优化材料因子和应力 幅，预测了不同材料因子下破坏方程。作者正致力于 实现材料因子与材料的对应和支柱传感预测与预警的 研究，将理论分析用于实际测量。 参考文献 1]李寿昌， 王位辉， 张朝祥.外注式单体液压支柱液压工作 原理图的研究[J].煤矿机械， 2011， 329 134-135. 2]张小丽， 陈雪峰， 李兵， 何正嘉.机械重大装备寿命预测 综述[J ].机械工程学报， 2011， 47 11 100-116. 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